腦與認知科學3 腦神經影像下

• Diffusion MRI
• functional MRI
• • task-fMRI
  • rs-fMRI

這一講繼續介紹腦神經影像的常用方法。上一講提到了MRI，這一講介紹MRI更細致的一些應用。

Diffusion MRI

Diffusion MRI同樣是利用MRI的機器，但在掃描的時候我們要試圖掃描水分子的運動。因為自由的水分子與位于神經元中的水分子運動行為會有很大差別，自由水分子在三維空間中幾乎是處于自由擴散（free diffusion）狀態的；而神經纖維中的水分子只能按纖維的走向擴散。

基于這個想法，我們可以試圖將水分子的運動規律與神經纖維束的形狀、走向聯系起來，這種方法叫Diffusion Tensor Image（DTI）。DTI分為兩個步驟，計算水分子的Diffusion tensor，然后基于Diffusion tensor做神經纖維在三維空間中的重構。水分子擴散的范圍可以用二次曲面圍起來，自由擴散時就是球面，在神經纖維中擴散時就是橢球面。二次曲面可以用矩陣（張量，這個叫Diffusion Tensor）表示，矩陣的特征值就是二次曲面的半軸長、最長的半軸長對應的特征向量就是神經纖維的走向，另外兩個特征向量對應的是神經纖維的粗細。

如果我們做了足夠的追蹤，得到的比較完整的水分子的運動軌跡，就可以將他們Diffusion tensor可以計算出來的神經纖維走向與粗細計算出來，并用圖像學的技術在三維圖中重構出來。

CT/MRI/Diffusion MRI是最常用的三種做大腦結構性掃描圖像的方法。CT和MRI是做大腦皮質結構的，MRI做出來的圖分辨率會高一些；Diffusion MRI是用來掃描神經纖維束的走向的。

functional MRI

functional MRI與前面提到的(structural) MRI相對，functional MRI不是為了掃描大腦的整體結構，而是掃描特定的功能區，也就是說MRI是研究大腦結構的；functional MRI是研究大腦功能的。functional MRI通常有兩種，一種是task functional MRI (task-fMRI)，另一種是rest-state functional MRI (rs-fMRI)。task-fMRI就是讓被試對象進入到機器里之后按指示完成一些行為，以判斷大腦相應功能區的活動；rs-fMRI就是讓被試對象大腦完全放空，目的是觀察在沒有特殊活動下的大腦狀態，并試圖觀察出神經纖維的相互連接的特征。

task-fMRI

task-fMRI的原理可以用這張圖片說明。假設黃色的是血管，那個圈圈表示神經細胞，紅色的小球表示帶著氧氣的血液，白色的小球表示沒有氧氣的血液。當神經細胞休息的時候，血細胞是比較少的，運輸來的氧氣也是比較少的；當神經細胞激活的時候，血細胞就堵車了，運輸來的氧氣也就非常的多。

這個過程可以用下面的圖來表述：神經元激活后，新陳代謝增加，因此血流會增加，帶氧氣的紅細胞會增加，MRI信號其實就是Blood Oxygenation level dependent (BOLD)信號。這種信號可以用來識別出激活的神經元。當被試對象在做特定任務的時候，血氧會集中供應大腦的某些區域，說明這些區域的神經元處于被激活的狀態，被激活的目的就是處理這些特定的任務。

下圖是fMRI原始圖像序列的處理過程。因為fMRI需要在非常短的時間內做多次掃描以對BOLD訊號做采樣，所以每次采樣得到的圖像是非常模糊的。我們的目的是把一系列模糊的圖像變成最右邊那種用顏色深淺標識神經活化率的圖，發光區域表示在執行特定任務時，大腦的這些區域是顯著活躍的。

rs-fMRI

當大腦處于放空狀態時，還是會有部分區域是活躍的，這部分區域叫Default-mode network（DMN）。這是一個預備著的區域，活躍的目的是為了讓大腦隨時可以喚醒處理突然的外界信號。

研究大腦區域的鏈接還可以用圖論的方法。大腦中某些區域的神經元彼此之間聯系會更緊密一點，他們應該就是功能上比較協同的區域。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的脑与认知科学3 脑神经影像下的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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